互动科普

在相对论中允许存在暗能量

到现在为止，能处理宇宙大尺度空间的物理学理论，只有爱因斯坦（1879〜1955）创建的“广义相对论”。

爱因斯坦于1915年发表了广义相对论。根据这个理论，他自己试着对宇宙空间进行计算，结果发现，宇宙不是处于膨胀中就是处于收缩中。但是爱因斯坦相信，宇宙的大小应该是不变的。为了保持宇宙大小不变，他认为宇宙中必须存在某种“斥力”，才能对抗宇宙中各种物质所产生的引力。于是他在广义相对论的方程里加入了“宇宙学项”（宇宙学常数），来起到斥力的作用。

爱因斯坦方程

1929年，观测结果证明宇宙在膨胀。既然宇宙尺度并非恒定不变，那么用来维持宇宙尺度的宇宙学项就变得很不自然，因此爱因斯坦撤掉了这个参数。当时并不知道宇宙是加速膨胀还是减速膨胀，而如果是减速膨胀的话，宇宙学项的确就是完全没有必要存在的。大多数的学者也认为，宇宙是减速膨胀的。

可是到了20世纪末，观测结果确认宇宙在加速膨胀，这就要求必须存在有能使宇宙膨胀加速的“东西”。如此一来，爱因斯坦的宇宙学项也就复活了。

好比“科学两条腿”的观测和理论大致符合了，人们也就更加相信使得宇宙加速膨胀的暗能量是存在的。

宇宙加速膨胀是受到了斥力的影响

下面我们依次整理暗能量所具有的不可思议的性质。

第一点就是暗能量具有反抗引力的性质，也就是具有与相互吸引相对立的反向排斥的（斥力）性质。

无论是我们所熟知的通常的物质，还是之前介绍过的暗物质，都只会产生引力作用。由于地球引力的作用，向上投掷的物体最终还是会落回来。对我们来说，能受到引力作用的物体才是“普通”的。

在这一点上，暗能量的性质是非常奇特的。以前介绍的暗物质也会受到引力的相互作用，在宇宙早期就开始聚集，并在此基础上形成星系和星系团等构造。但是暗能量不是这样，倒不如说它是在妨碍宇宙结构的形成。

为什么我们的身体没有被拉长？

既然我们知道了暗能量充满整个宇宙空间，那么也许会问，为什么我们所在的银河系、太阳系，或者更极端地说，我们自己的身体并没有发生膨胀呢？原因是暗能量作为斥力是非常微弱的。星系、恒星系统，以及我们的身体是通过引力或者电磁力凝结在一起的。它们比起暗能量的斥力来要强得多，所以我们不会发生膨胀。

但是这里面所说的引力或者电磁力比暗能量的作用强，是在比较近的距离上来说的。当距离远到星系团间隔的程度，暗能量的斥力就会超过引力效应。所以暗能量的斥力作用一定是在非常宏大的空间上才开始表现出来。

无论宇宙怎么膨胀，奇妙的暗能量的密度也不会被摊薄

暗能量的另一个不可思议的性质就是，无论宇宙空间怎么膨胀，它的密度也不会被摊薄。

这种性质与我们熟知的通常的物质或者暗物质完全相反。比如往果汁里面加水味道就会变淡。同样地，随着宇宙的膨胀，通常物质或者暗物质也会相应地变稀薄。但是，惟独暗能量的密度不会改变。

可以认为，所谓暗能量是空间（真空）本身所携有的能量，所以无论膨胀到多大，依然保持有同样的暗能量密度。

暗能量的比例

在宇宙刚刚诞生后似乎就发生过加速膨胀

令人意外的是，寻找暗能量本质的工作，可能还和宇宙刚刚诞生之后的问题相关联。

现在宇宙由于暗能量的作用而加速膨胀，实际上这与宇宙刚刚诞生之后发生的加速膨胀并没有不同。宇宙刚刚诞生之后的加速膨胀被称作“暴胀”。

只不过，暴胀与现在的加速膨胀的不同之处是，几乎在一瞬间就发生了无法想象的急速膨胀（尽管不同的模型给出的数值并不相同），例如在1秒的1万亿分之一的1万亿分之一的1万亿分之一期间（10^-36秒），宇宙增大了1万亿倍的1万亿倍的1万亿倍的1000万倍（10⁴³倍）。

现在还不能确定，暴胀时期的急速膨胀与现在的加速膨胀到底有没有联系，因为两个加速膨胀的机制都还没有搞明白，但是也很难认为它们完全没有联系。之后两者的研究会怎样发展，还要拭目以待。

空间本身携带的能量是有力的候选者

究竟如何去理解暗能量的本质呢？现在最可能的候选者，就是前面提到的空间本身所携带的能量（真空能）。

所谓真空，一般是指其中什么也不存在的一部分空间。话虽如此，即便把所有的物质和暗物质都去除掉，这空间也不会完全变成“空”的。

按照研究微观世界的量子论的观点，在微观世界里，能量是一个存在着“涨落”的物理量。这被称为“不确定性原理”。存在“涨落”，就是说能量并不是个定值，这意味着即使把所有的物质都除去以后，空间中存在的能量也不是一个为零的定值。所以一般认为在这个空间中，以能量的“涨落”为基础，各种的粒子对在极短的时间里会反复地产生和湮灭。

所谓“真空的能量”，也就是只要有空间的地方就会有能量存在。这与暗能量的性质非常一致。但是，目前理论计算出的真空能的密度，与现在宇宙的观测结果完全不符。对于暗能量本质的探索，进入了一种混沌的状态。

（本文发表于《科学世界》2013年第1期）